孫華星，趙恒勤，劉磊

1.中國地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450006；3.自然資源部多金屬礦綜合利用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450006

晶質(zhì)石墨是指在自然界中呈鱗片狀晶體形式存在的石墨，又稱鱗片石墨，具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)。其中鱗片片徑大于0.147 mm的石墨精礦更易于提純與深加工，是制備石墨烯、核石墨、超級(jí)電容器和計(jì)算機(jī)芯片等高附加值產(chǎn)品的關(guān)鍵原料，在新興戰(zhàn)略領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其資源保障與開發(fā)利用越來越受到中國、美國和歐盟等國家高度關(guān)注[1-4]。

晶質(zhì)石墨天然可浮性能優(yōu)異，與脈石嵌布的石墨晶體一經(jīng)單體解離，經(jīng)過常規(guī)浮選后精礦固定碳含量可達(dá)到90%以上，而鱗片尺寸也是精礦質(zhì)量的重要判別標(biāo)準(zhǔn)之一。鱗片石墨碎磨過程中的解離方式及程度則是決定精礦產(chǎn)品中大鱗片回收率及品位的最重要因素[5]，通常采用階段磨礦—浮選工藝使石墨連生體逐步與脈石礦物解離，并逐步降低每段磨剝程度以盡可能防止已解離的大鱗片石墨二次破碎。不同類型磨礦設(shè)備在磨礦過程中的作用形式和碎礦機(jī)理差異較大，對(duì)石墨鱗片損壞程度大小不一[6-11]，影響最終石墨精礦質(zhì)量和片徑結(jié)構(gòu)，因此研究碎磨過程中大鱗片的保護(hù)是石墨現(xiàn)有選礦發(fā)展中必不可少的一環(huán)。

磨機(jī)破碎作用力、介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式、礦漿流體紊流強(qiáng)弱和礦物賦存形態(tài)均會(huì)對(duì)石墨連生體的解離產(chǎn)生重要影響。本文對(duì)比和分析粗選前高壓輥磨細(xì)碎和球磨機(jī)粗磨兩種碎磨工藝流程對(duì)鱗片保護(hù)的影響，并對(duì)再磨中的立式攪拌磨螺旋式、圓盤式、葉輪式和棒式等不同攪拌裝置的工作原理和模擬仿真進(jìn)行分析，旨在為大鱗片石墨保護(hù)后續(xù)研究和工藝流程簡化提供參考。

1 粗選前碎磨工藝中石墨鱗片的保護(hù)

晶質(zhì)石墨礦粗選前最后一道碎磨工序是大鱗片石墨保護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)之一，現(xiàn)有研究中主要采用高壓輥磨機(jī)細(xì)碎和球磨機(jī)粗磨，兩種碎磨方式下石墨鱗片以片狀集合體的形式初步解離，向石墨自身的結(jié)晶粒度區(qū)間靠近，很少出現(xiàn)大鱗片降目現(xiàn)象[12]。

1.1 高壓輥磨超細(xì)碎工藝

高壓輥磨機(jī)作為超細(xì)粉碎設(shè)備[13]，具有單位功耗低、處理量大、產(chǎn)品解離性好等優(yōu)點(diǎn)，已在金屬礦和非金屬礦領(lǐng)域逐步推廣應(yīng)用，破碎產(chǎn)品可滿足浮選粒度的基本要求。劉磊等首次將高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于石墨礦領(lǐng)域[13-15]，其研究結(jié)果表明，高壓輥磨機(jī)的晶界碎裂機(jī)理易使破碎位置發(fā)生在石墨鱗片與脈石礦物的結(jié)合面上，實(shí)現(xiàn)其初步解離，且層壓粉碎中石墨礦物被周邊脈石牢牢包圍并互相擠壓，物料之間基本無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，避免石墨礦物片層之間的錯(cuò)位或滑移，能在一定程度上保護(hù)大鱗片片層結(jié)構(gòu)。

劉磊等人采用高壓輥磨機(jī)作為超細(xì)碎設(shè)備，分別對(duì)內(nèi)蒙古、甘肅、黑龍江三個(gè)地區(qū)晶質(zhì)石墨礦結(jié)合層壓粉碎—分質(zhì)分選新工藝進(jìn)行研究[13-15]，高壓輥磨產(chǎn)品經(jīng)過浮選粗掃選后，粗精礦按照可浮性、密度及粒度三因素間的協(xié)同作用分質(zhì)分選得到粗粒低碳和細(xì)粒高碳兩種產(chǎn)品，分別進(jìn)行再磨再選得到最終精礦。黑龍江某石墨原礦固定碳含量為13%左右[15]，采用該工藝可得到品位為94.50%、回收率為89.94%的石墨精礦，其中+0.147 mm粒級(jí)大鱗片精礦固定碳分布率可達(dá)到31.24%，大鱗片產(chǎn)率得到提升。

李闖等人對(duì)鱗片石墨礦進(jìn)行高壓輥磨和棒磨兩種磨礦方式下產(chǎn)品特性的研究結(jié)果表明[16]，兩種磨礦產(chǎn)品各粒級(jí)分布差異較小，后者已解離的石墨鱗片表面完整光滑且雜質(zhì)少，而高壓輥磨石墨鱗片表面尖銳并存在大量微裂紋，具有更高比表面積，意味著后續(xù)浮選過程中對(duì)藥劑的吸附能力增強(qiáng)，可盡早浮出大鱗片石墨。馬芳源等基于高壓輥磨、攪拌磨、納米氣泡浮選柱展開鱗片石墨選別工藝研究[17]，高壓輥磨產(chǎn)品經(jīng)浮選粗選后，粗精礦采用兩段再磨、兩段浮選柱浮選得到固定碳含量和回收率分別為94.82%、97.89%的石墨精礦，大幅度減少了石墨再磨次數(shù)，避免大鱗片破壞。高壓輥磨和球磨兩種石墨礦磨礦產(chǎn)品浮選的結(jié)果表明，在相同粒級(jí)下，前者浮選分離效果明顯優(yōu)于后者。高壓輥磨機(jī)代替球磨機(jī)作為晶質(zhì)石墨礦粗選前的超細(xì)碎設(shè)備，可避免粗磨中脈石劈裂作用[14]，具有保護(hù)大鱗片、提高石墨鱗片浮選分離性能、縮短工藝流程等優(yōu)勢。

1.2 球磨粗磨工藝

鱗片石墨礦的粗磨多選用球磨機(jī)作為磨礦設(shè)備，該設(shè)備已有一百多年的發(fā)展歷史，理論研究相對(duì)成熟。磨機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部研磨介質(zhì)被提升到一定高度后自由拋落形成沖擊力作為主要磨礦作用力，與物料呈點(diǎn)接觸，其應(yīng)力高度集中、粉碎作用強(qiáng)、沖擊能量高[18-19]，適于石墨鱗片與脈石礦物初步解離，但磨礦時(shí)大量硬質(zhì)脈石礦物會(huì)對(duì)石墨鱗片產(chǎn)生劈碎割裂作用[5,10]，造成粗粒級(jí)石墨鱗片的破壞。

袁惠珍考察了球、棒、柱、筒棒四種磨礦介質(zhì)對(duì)石墨大鱗片的保護(hù)作用[20]，浮選精礦及篩析結(jié)果表明，在品位和回收率相差不大的情況下，筒棒介質(zhì)對(duì)大鱗片保護(hù)效果明顯，但磨礦效率過低，綜合考慮粗磨時(shí)選擇鋼球作為磨礦介質(zhì)較為合適?？到〉热瞬捎缅F型球磨機(jī)作為粗磨設(shè)備[12]，結(jié)合磨礦細(xì)度與浮選精礦篩析數(shù)據(jù)表明，最佳磨礦細(xì)度時(shí)，+0.3 mm和-0.3+0.15 mm兩個(gè)粒級(jí)中精礦與原礦中石墨的嵌布粒度分布情況接近，原因是粗磨時(shí)原礦石墨鱗片晶體處于與脈石礦物的易分離階段，大鱗片石墨在磨礦中受到的破壞力小，粗精礦品位提升較快。

但球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)物料的選擇性解離差，石墨鱗片容易在沖擊力作用下發(fā)生垂直于結(jié)晶層面的斷裂[5]。張紅新等對(duì)固定碳含量為84.59%的球磨前浮選后石墨鱗片精礦偏光顯微圖片對(duì)比發(fā)現(xiàn)[21]，在鋼球作為磨礦介質(zhì)的沖擊作用下，石墨薄片的尺寸顯著減小，而厚度卻基本保持不變，這表明如果選用球磨機(jī)作為再磨設(shè)備，后續(xù)石墨大鱗片破壞幾率將會(huì)增加。陳濤等人對(duì)兩種不同嵌布粒度鱗片石墨礦再磨工藝研究結(jié)果表明[22]，球磨工藝比棒磨更利于+0.15 mm粒級(jí)含量少、嵌布粒度較細(xì)的石墨礦，夾雜在脈石礦物間的石墨顆粒在沖擊力的作用下，更容易單體解離；而相比于鱗片石墨分布在脈石礦物解離縫且+0.15 mm累計(jì)比高的石墨礦，再磨試驗(yàn)結(jié)果顯示球磨產(chǎn)品中的+0.15 mm粒級(jí)鱗片石墨損失率明顯更高，破壞嚴(yán)重。已有研究結(jié)果表明，球磨機(jī)適合粗磨和一段再磨，經(jīng)粗選后可拋除大量脈石礦物，也適于嵌布粒度細(xì)的晶質(zhì)石墨礦全流程磨礦[23]。

1.3 高壓輥磨和球磨工藝對(duì)比

1.3.1 產(chǎn)品特性對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)高壓輥磨超細(xì)碎和球磨粗磨兩種碎磨方式下的產(chǎn)品特性進(jìn)行對(duì)比分析，具體見表1。

表1 高壓輥磨和球磨兩種產(chǎn)品特性對(duì)比[16-17,24]

經(jīng)以上對(duì)比可知，高壓輥磨和球磨磨礦產(chǎn)品粒度分布均朝著鱗片石墨本身結(jié)晶的尺寸范圍解離，但球磨無選擇沖擊使部分粗粒級(jí)石墨被破碎，而高壓輥磨晶界碎裂特性有助于粗粒嵌布礦物沿解理面初步解離[25-26]，通常粉碎產(chǎn)品含有一定量細(xì)粒級(jí)，因此粒級(jí)分布范圍寬。

高壓輥磨產(chǎn)品石墨鱗片表面各方面物理性能均優(yōu)于球磨產(chǎn)品，這表明后續(xù)浮選中的鱗片石墨與捕收劑的物理吸附能力得到提升，可以起到保護(hù)大鱗片的作用。對(duì)比分析表面形貌，高壓輥磨產(chǎn)品中的脈石顆粒多暴露在石墨表面或邊緣處，有利于后續(xù)再磨中脈石礦物在摩擦剪切力作用下脫除，減少后續(xù)再磨工藝流程。

1.3.2 再磨精礦產(chǎn)品對(duì)比

對(duì)高壓輥磨和球磨兩種產(chǎn)品進(jìn)行同一再磨工藝流程下再磨精礦產(chǎn)品對(duì)比，其結(jié)果見表2。三種工藝流程下石墨精礦固定碳含量相差不大，高壓輥磨產(chǎn)品固定碳回收率略低于球磨產(chǎn)品，可能是細(xì)粒級(jí)石墨引起競爭吸附[27]，消耗較多浮選藥劑所引起。常規(guī)磨浮工藝流程下，高壓輥磨后石墨精礦大鱗片產(chǎn)率明顯低于球磨產(chǎn)品，原因是其石墨鱗片表面脈石暴露明顯并存有微裂紋，常規(guī)再磨工藝高磨礦強(qiáng)度容易使已達(dá)到要求的鱗片石墨二次破碎，造成-0.15 mm粒級(jí)含量明顯高于球磨產(chǎn)品。劉磊等基于高壓輥磨提出的新工藝，在比原流程減少一段再磨作業(yè)的情況下，+0.27 mm粒級(jí)產(chǎn)率比球磨常規(guī)流程高10百分點(diǎn)，大鱗片損失率明顯降低，對(duì)大鱗片石墨的保護(hù)和回收具有重要意義。

表2 球磨和高壓輥磨再磨精礦產(chǎn)品對(duì)比[14]

現(xiàn)有石墨礦選礦廠多選用球磨機(jī)粗磨作為粗選前最后一道碎磨工藝，基于此研究出諸多新工藝，如預(yù)先選別、混目粗選—分級(jí)磨礦[28]等，均取得保護(hù)大鱗片的效果，研究相對(duì)成熟，已經(jīng)在部分選礦廠得到實(shí)際應(yīng)用。高壓輥磨超細(xì)碎產(chǎn)品浮選特性明顯優(yōu)于球磨，鱗片表面上脈石暴露明顯，增大了石墨大鱗片與細(xì)鱗片之間的浮選差異性，利于再磨中脈石礦物的分離，為保護(hù)大鱗片提供更大的可能性，而且石墨原礦本身莫氏硬度低，超細(xì)碎過程中對(duì)輥筒的磨損率也處于較低的水平。因此，高壓輥磨機(jī)在石墨礦山將會(huì)得到更好的推廣與應(yīng)用。

2 再磨立式攪拌磨對(duì)大鱗片石墨的保護(hù)

后續(xù)再磨過程中，入磨石墨已經(jīng)解離成片狀結(jié)構(gòu)，與脈石礦物的嵌布形式多為毗連，少部分為包覆[29]。石墨鱗片的層狀結(jié)晶及解離特性分析結(jié)果表明[6-9],沿鱗片結(jié)晶層面施加剪切或剝磨作用力，容易使石墨鱗片和脈石礦物產(chǎn)生平行于結(jié)晶層面解離，此時(shí)大鱗片遭到破壞的幾率小，對(duì)保護(hù)大鱗片有利。立式攪拌磨機(jī)磨礦時(shí)以磨剝剪切力為主[30]，石墨階段再磨過程中已經(jīng)將其列為首選設(shè)備。

2.1 攪拌裝置類型與工作原理

攪拌磨機(jī)與球磨機(jī)最大的區(qū)別是其內(nèi)部具有攪拌裝置[30]，而不同攪拌裝置結(jié)構(gòu)存在較大差異，造成礦漿流場狀態(tài)、研磨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、介質(zhì)能量吸收率和磨剝剪切力強(qiáng)弱等存在差異，攪拌裝置分為螺旋式、圓盤式、葉輪式和棒式等類型，如圖1所示。

圖1 不同類型攪拌磨攪拌裝置

不同類型攪拌裝置的基本工作原理是一致的[29,31-40],在工作過程中，攪拌裝置以一定速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)磨腔室中的研磨介質(zhì)和礦漿流體產(chǎn)生軸向和徑向高速紊流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成有序的運(yùn)動(dòng)循環(huán)和宏觀的動(dòng)態(tài)平衡，而微觀則由于相鄰磨礦介質(zhì)間存在動(dòng)態(tài)速度差和受力不均衡，產(chǎn)生介質(zhì)與顆粒間、顆粒與顆粒間的剪切、擠壓和摩擦力，形成再磨的理想環(huán)境，使鱗片石墨連生體上的脈石礦物逐漸剝離，滿足再磨要求的合格礦物溢流排出。

2.2 基于不同攪拌裝置的計(jì)算機(jī)模擬

Sinnott等使用DEM模擬方法分析了螺旋式和棒式攪拌磨性能[41-42]，兩種類型攪拌裝置磨機(jī)剪切能平均吸收率比正常能量約高3倍，表明磨剝剪切力為該類型磨機(jī)的主要磨礦作用力，符合再磨中石墨鱗片沿結(jié)合面解離要求，螺旋式攪拌磨對(duì)研磨介質(zhì)具有強(qiáng)對(duì)流軸向輸送和強(qiáng)擴(kuò)散軸向的混合作用，介質(zhì)能量吸收均勻，棒式攪拌磨研磨介質(zhì)流動(dòng)復(fù)雜不具備軸向整體輸送作用，介質(zhì)對(duì)能量吸收率隨磨機(jī)深度的增加而增加。

Riley等利用PEPT測量棒式攪拌裝置中介質(zhì)空間動(dòng)能分布，測量結(jié)果顯示磨機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)內(nèi)部介質(zhì)能量分布有顯著影響[43-44]，攪拌棒區(qū)域內(nèi)平均介質(zhì)動(dòng)能隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，區(qū)域外動(dòng)能相對(duì)不受影響，在高攪拌速度下攪拌棒內(nèi)部有少量高動(dòng)能的介質(zhì)球，大部分低能量介質(zhì)分布在攪拌棒上方區(qū)域。Larsson等[45]基于PEFM-DEM-FEM耦合模型對(duì)HIG5(圓盤式)攪拌磨機(jī)進(jìn)行仿真分析，研磨介質(zhì)和礦漿流體動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果顯示二者模擬結(jié)果相似，最高速度位于攪拌圓盤邊緣，隨與攪拌盤徑向距離的增大縮小而降低，給礦物料粉碎大部分發(fā)生在圓盤之間。

基于離散元分析和建模等技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)模擬分析不同類型攪拌裝置內(nèi)礦漿流場狀態(tài)，其結(jié)果見表3。

表3 不同攪拌裝置計(jì)算機(jī)模擬仿真圖[46-47]

不同攪拌裝置磨機(jī)模擬仿真形態(tài)存在差異，但起到研磨破碎作用的主要區(qū)域?yàn)樗俣攘鲌雒芗瘏^(qū)域，基本都集中在攪拌器附近及與側(cè)壁之間的狹小區(qū)域。圓盤式和葉輪式攪拌器速度矢量圖均顯示在相鄰攪拌器鄰近側(cè)壁位置存在流動(dòng)相反的對(duì)稱漩渦，是由于流體和研磨介質(zhì)在離心力和筒壁反彈力雙重作用力下產(chǎn)生回流[46]，撞擊力會(huì)對(duì)再磨中鱗片保護(hù)產(chǎn)生一定影響。圓盤式、葉輪式和棒式三種攪拌裝置均具有從半徑處至筒壁、攪拌主軸存在梯度降低的攪拌強(qiáng)度，粗粒級(jí)石墨在離心力作用下甩向器壁，隨后各粒級(jí)沿筒壁至攪拌軸依次排列，對(duì)各粒級(jí)石墨鱗片進(jìn)行不同強(qiáng)度的再磨。

2.3 四種攪拌磨機(jī)的應(yīng)用

2.3.1 螺旋式攪拌磨機(jī)

立式螺旋攪拌磨機(jī)(立磨機(jī)或塔磨機(jī))是以螺旋葉片(圖1a)作為攪拌裝置，在金屬礦和非金屬礦細(xì)磨及再磨領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用[31-33]。陜西某石墨廠選用長沙礦冶研究院立式螺旋攪拌磨為再磨設(shè)備[32]，在磨礦細(xì)度-0.074 mm占80%時(shí)，可生產(chǎn)固定碳含量為94%～95%的高碳石墨精礦。張延軍對(duì)某石墨礦進(jìn)行工藝優(yōu)化研究[33],采用一次粗磨和四次再磨磨礦工藝流程，后三段再磨選用螺旋式攪拌磨，經(jīng)十次階段浮選后精礦品位達(dá)到95.50%，產(chǎn)品大片率有所提升，各段磨礦效率均有提高。

立式螺旋攪拌磨在石墨選礦廠中得到了一定應(yīng)用，與球磨機(jī)再磨相比，其沖擊力基本消失，高研磨力使晶質(zhì)石墨單體解離度大幅度增加，選礦富集精礦的固定碳含量可達(dá)到高碳水準(zhǔn)。但磨礦時(shí)磨礦介質(zhì)與物料之間的密集充實(shí)度高，已解離的大鱗片石墨更容易進(jìn)一步破碎成細(xì)鱗片石墨，對(duì)大鱗片保護(hù)效果不利。因此與其他類型攪拌器相比，螺旋式攪拌磨可應(yīng)用于晶質(zhì)石墨原礦大鱗片占比少及隱晶質(zhì)石墨礦，可有效使微細(xì)粒級(jí)石墨在高研磨作用力下解離出來，或與預(yù)先分目—再磨再選[48-49]石墨新工藝相結(jié)合應(yīng)用于后續(xù)再磨流程中。

2.3.2 圓盤式攪拌磨機(jī)

圓盤式攪拌磨機(jī)是利用圓盤(圖1b)作為立式攪拌磨的攪拌裝置。潘嘉芬對(duì)某中碳石墨精礦進(jìn)行砂磨機(jī)、球磨機(jī)和振動(dòng)磨機(jī)三種再磨設(shè)備對(duì)比試驗(yàn)[37]，在最終石墨精礦固定碳含量相同的情況下，砂磨機(jī)各粒級(jí)產(chǎn)率及鱗片保護(hù)率最高，后續(xù)再磨設(shè)備選用砂磨機(jī)后，精礦品位提高到94%，大鱗片損失率比原再磨設(shè)備相對(duì)降低10%～25%。劉磊等人對(duì)基于層壓粉碎—分質(zhì)分選得到粗粒低碳和細(xì)粒高碳產(chǎn)品進(jìn)行棒磨機(jī)、單層圓盤攪拌磨機(jī)、多層圓盤攪拌磨機(jī)再磨精選試驗(yàn)[15]，試驗(yàn)結(jié)果表明，立式圓盤型攪拌磨比棒磨具有更好保護(hù)大鱗片的效果，多層圓盤比單層圓盤具有更高磨剝剪切作用，故粗粒低碳石墨和細(xì)粒高碳石墨再磨分別選用多層和單層圓盤攪拌磨，經(jīng)三或四段再磨可得到大片率和品位分別為20%和95%的石墨精礦。

立式圓盤型攪拌磨應(yīng)用于石墨再磨，具有較好保護(hù)大鱗片的能力，可通過調(diào)節(jié)圓盤攪拌器的數(shù)目調(diào)節(jié)每段的磨礦強(qiáng)度，改善實(shí)際工藝流程，縮短磨礦時(shí)間，提升磨礦效率，適合粗、中、細(xì)鱗片石墨礦再磨作業(yè)流程。

2.3.3 葉輪式攪拌磨機(jī)

葉輪式攪拌磨機(jī)(GJM型)由北京礦冶研究總院20世紀(jì)90年代開始研制[34-36],經(jīng)過不斷改進(jìn)和優(yōu)化，已在石墨選礦廠取得廣泛應(yīng)用，攪拌葉輪簡圖如圖1c所示。劉佳鵬等采用GJM型攪拌磨機(jī)代替球磨機(jī)對(duì)黑龍江某石墨礦進(jìn)行小型優(yōu)化試驗(yàn)[34]，在原流程不變的情況下，第11次精選時(shí)浮選精礦品位已與原先最終精礦品位相當(dāng)，并且對(duì)比精選3和4中+270 μm含量發(fā)現(xiàn)，大鱗片石墨損失率可降低4.4%。余悅等應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室型GJM攪拌磨機(jī)對(duì)國外高品位鱗片石墨精礦再磨提純進(jìn)行了試驗(yàn)研究[36]，經(jīng)一段磨浮后固定碳含量提高3.9%、+147 μm粒級(jí)品位>98%。在黑龍江、甘肅、坦桑尼亞[35]等地方石墨選礦廠取得保護(hù)大鱗片的良好效果。

GJM型葉輪式攪拌磨機(jī)經(jīng)過多重優(yōu)化設(shè)計(jì)、模擬仿真分析及現(xiàn)場實(shí)際改進(jìn)，磨礦效率高，可強(qiáng)化后續(xù)精選提碳作用，與球磨機(jī)相比大鱗片損失明顯降低，配置維修方便，已經(jīng)得到石墨業(yè)界內(nèi)廣泛認(rèn)可，適于粗、中、細(xì)鱗片石墨的再磨。但實(shí)際運(yùn)行中具有較為劇烈軸向交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[40]，大鱗片再磨時(shí)容易遭到過磨，造成小部分鱗片石墨損失。

2.3.4 棒式攪拌磨機(jī)

棒式攪拌磨機(jī)是以安裝在主軸上的攪拌棒作為攪拌器，分為十字交叉型和螺旋型(圖1d和1e)，石墨再磨中常采用螺旋型設(shè)計(jì)，如長沙礦冶研究院LJM系列和北京礦冶研究總院GJM型，已成功應(yīng)用于石墨礦再磨實(shí)踐中[29,38-40]。

龍淵等人對(duì)原礦碳品位為11%左右的鱗片石墨礦進(jìn)行立式攪拌磨機(jī)(棒式)的再磨工藝研究[29]，在比原工藝減少一段再磨的情況下，可獲得石墨品位和回收率分別為92.58%和94.71%的良好精礦指標(biāo)，精礦中+0.15 mm 粒級(jí)含量為56.12%，比現(xiàn)場高31.62百分點(diǎn)。李榮改等對(duì)河南某固定碳含量為8.95%的微細(xì)粒晶質(zhì)石墨礦[39]，選用立式棒型攪拌磨機(jī)，經(jīng)五次再磨和五次精選閉路工藝流程，可得到固定碳含量94.05%和回收率95.74%的石墨精礦。孫小旭對(duì)黑龍江某鱗片石墨選礦進(jìn)行GJM型棒式攪拌磨機(jī)工業(yè)試驗(yàn)[38]，選定原流程中精礦再磨3為磨機(jī)試驗(yàn)位置，與原有設(shè)備并聯(lián)，在電機(jī)頻率40 Hz、充填率30%條件下進(jìn)行連續(xù)72 h帶礦試驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果表明，比原再磨浮選精礦品位可提升40%以上，研磨介質(zhì)消耗量僅為原先一半，可節(jié)能降耗1/4。何建成等進(jìn)行不同干礦量下攪拌棒與葉輪攪拌磨對(duì)比試驗(yàn)[31]，再磨前后精礦品位攪拌棒比葉輪可相對(duì)提升1%～4%，+150 μm大鱗片損失率相對(duì)降低3%～5%。

攪拌棒作為攪拌裝置體現(xiàn)出不弱于圓盤式和葉輪式的性能，設(shè)計(jì)過程中相比后二者可以更加密集排列，減少劇烈的軸向運(yùn)動(dòng)，盡可能降低大鱗片的損失，可適用于粗、中、細(xì)和微細(xì)晶質(zhì)石墨礦再磨流程。但國內(nèi)外也選用攪拌棒作為超細(xì)磨設(shè)備攪拌裝置[50]，因此實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)該合理安排攪拌轉(zhuǎn)速、礦漿停留時(shí)間、研磨介質(zhì)填充率等影響磨礦因素的條件，避免已解離的高碳石墨鱗片二次破壞。

2.3.5 四種攪拌磨機(jī)對(duì)比

根據(jù)以上試驗(yàn)研究，對(duì)不同類型攪拌裝置石墨立式攪拌磨再磨設(shè)備進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，其結(jié)果見表4。

表4 不同類型攪拌裝置石墨立式攪拌磨再磨設(shè)備對(duì)比[29,31-40]

立式螺旋攪拌磨機(jī)在再磨過程中對(duì)石墨鱗片沒有保護(hù)作用，但有利于細(xì)粒級(jí)石墨與脈石礦物的脫除。與球磨機(jī)作為再磨設(shè)備相比，圓盤式、葉輪式和棒式攪拌磨以磨剝剪切作用力代替沖擊力有利于保護(hù)石墨鱗片片狀結(jié)構(gòu)、脫除脈石礦物和石墨表面吸附的過剩藥劑，具有較高的再磨提質(zhì)效率，經(jīng)多次磨選后石墨精礦均可達(dá)到高碳石墨的水準(zhǔn)，有效地提高石墨精礦的經(jīng)濟(jì)和市場價(jià)值。

3 結(jié)論

(1)高壓輥磨機(jī)的層壓粉碎和晶界碎裂特性比無選擇性沖擊的球磨機(jī)要好，具有更好保護(hù)原礦中石墨大鱗片的能力，并使其石墨表面產(chǎn)生更優(yōu)的浮選性能，但同時(shí)也存在一定量微裂紋。后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)一步解決石墨鱗片易破碎的問題，提出更好保護(hù)大鱗片的新工藝，提高精礦中石墨大鱗片的產(chǎn)率。

(2)螺旋式攪拌磨再磨中基本不存在對(duì)大鱗片的保護(hù)作用，圓盤式、葉輪式、棒式三種攪拌磨運(yùn)行中礦漿流體與研磨介質(zhì)之間形成高效剪切流場，適于石墨沿層間結(jié)合面解離，能夠在再磨中較好地保護(hù)石墨大鱗片。但不同類型攪拌裝置存在一定差異，在具體試驗(yàn)中應(yīng)對(duì)比不同攪拌裝置類型對(duì)鱗片保護(hù)效果差異，進(jìn)一步探究對(duì)石墨鱗片的保護(hù)機(jī)制。未來立式攪拌磨必將逐漸淘汰石墨選廠中原有球磨再磨設(shè)備。

(3)石墨鱗片的保護(hù)始終是晶質(zhì)石墨選礦工藝流程中關(guān)注的焦點(diǎn)，而磨礦方式直接關(guān)系到大鱗片的解離狀態(tài)與受破壞程度。雖然高壓輥磨機(jī)和立式攪拌磨機(jī)聯(lián)合配置形式對(duì)大鱗片保護(hù)取得了良好的效果，具有降低再磨次數(shù)、縮短工藝流程、提高精礦石墨大鱗片產(chǎn)率等優(yōu)勢，但目前仍處于試驗(yàn)研究與初步應(yīng)用階段。高壓輥磨機(jī)和立式攪拌磨機(jī)聯(lián)合使用有望在石墨礦山為鱗片保護(hù)打開新的局面，提升最終石墨精礦質(zhì)量，更好地服務(wù)于中下游延伸產(chǎn)業(yè)。